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1、嵌入式硬件基础 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望目录目录 CPU 总线总线 存储器存储器 接口接口RISC和和CISCn基本概念基本概念RISC和CISC冯诺依曼体系结构和哈佛体系结构流水线nCPU 体系结构体系结构CISC和和RISCnCISC(Complex Instruction Set Computer)复杂指令集具有大量的指令和寻址方式，指令长度可变8/2原则：80%的程序只使用20%的指令大多数程序只使用少量的指令就能够运行nRISC(R
2、educed Instruction Set Computer)简单指令集只包含最有用的指令，指令长度固定确保数据通道快速执行每一条指令使CPU硬件结构设计变得更为简单CISC的特点的特点n增强的指令功能，增强的指令功能，常用功能用硬件的指令系统来实现n指令格式不固定指令格式不固定指令可长可短，操作数可多可少n寻址方式复杂多样寻址方式复杂多样操作数可来自寄存器和存储器n采用微程序控制采用微程序控制执行每条指令需完成一个微指令序列nCPI大于大于5RISC基本的设计思想基本的设计思想n减小减小CPI CPUtime=Instr_Count*CPI*Clock_cyclen精简指令集精简指令集保留
3、最基本的,去掉复杂、使用频度不高的指令n采用采用Load/Store结构，结构，有助于减少指令格式，统一存储器访问方式n采用硬接线控制代替微程序控制采用硬接线控制代替微程序控制RISC的提出与发展的提出与发展nLoad/Store结构提出结构提出 CDC6600(1963)-CRAY1(1976)nRISC思想最早在思想最早在IBM公司提出公司提出但不叫RISC，IBM801处理器是公认体现RISC思想的机器。n1980年，年，Berkeley的的Patterson和和Dizel提出提出RISC名词，并研制了名词，并研制了RISC-,实验样机。实验样机。n1981年年Stenford的的Hen
4、nessy研制研制MIPS芯片。芯片。n85年后推出商品化年后推出商品化RISC MIPS1(1986)和SPARC V1(1987)典型的高性能典型的高性能RISC处理器处理器nSUN公司的公司的SPARC(1987)nMIPS公司的公司的SGI:MIPS(1986)nHP公司的公司的PA-RISC,nIBM,Motorola公司的公司的PowerPCnDEC、Compac公司的公司的Alpha AXPnIBM的的RS6000(1990)第一台第一台Superscalar RISC机机CISC与与RISC的对比的对比类别CISCRISC指令系统指令数量很多较少，通常少于100执行时间有些指令
5、执行时间很长，如整块的存储器内容拷贝；或将多个寄存器的内容拷贝到存贮器没有较长执行时间的指令编码长度编码长度可变，1-15字节编码长度固定，通常为4个字节寻址方式寻址方式多样简单寻址操作可以对存储器和寄存器进行算术和逻辑操作只能对寄存器对行算术和逻辑操作，Load/Store体系结构编译难以用优化编译器生成高效的目标代码程序 采用优化编译技术，生成高效的目标代码程序 冯冯诺依曼体系结构诺依曼体系结构冯冯诺依曼体系结构诺依曼体系结构输入输出中央处理器存储器程序指令1指令2指令3指令4数据数据0数据2指令0指令寄存器控制器数据通道数据1哈佛体系结构哈佛体系结构指令寄存器控制器数据通道输入输出CPU
6、程序存储器指令0指令1指令2数据存储器数据0数据1数据2地址指令地址数据流水线技术流水线技术n流水线流水线(Pipeline)技术：几个指令可以并行执技术：几个指令可以并行执行行 提高了CPU的运行效率 内部信息流要求通畅流动译码取指执行add译码取指执行sub译码取指执行cmp时间AddSubCmp指令流水线指令流水线以以ARM为例为例n为增加处理器指令流的速度，为增加处理器指令流的速度，ARM7 系列使用系列使用3级流级流水线水线.允许多个操作同时处理，比逐条指令执行要快。n PC指向正被取指的指令，而非正在执行的指令指向正被取指的指令，而非正在执行的指令从存储器中读取指令解码指令寄存器读
7、（从寄存器Bank）移位及ALU操作寄存器写（到寄存器Bank）FetchDecodeExecutePCPCPC-4PC-2PC-8PC-4ARMThumb最佳流水线最佳流水线该例中用6个时钟周期执行了6条指令所有的操作都在寄存器中（单周期执行）指令周期数(CPI)=1 操作操作周期周期 1 2 3 45 6 ADD SUB MOV AND ORR EOR CMP RSBDecodeExecuteDecodeExecuteFetchDecodeFetchExecuteDecodeExecuteFetchDecodeExecuteDecodeExecuteFetchDecodeFetchFetc
8、hExecuteDecode ExecuteFetchDecode ExecuteFetchDecode ExecuteFetchDecode ExecuteDecode ExecuteFetchDecodeFetchFetchDecodeFetchFetchExecuteDecodefetchLDR 流水线举例流水线举例该例中，用6周期执行了4条指令指令周期数(CPI)=1.5 周期周期 操作操作123456 ADD SUB LDR MOV AND ORRfetchDecodefetchfetchExecuteDecodefetchExecuteExecutedatawritebackDec
9、odeDecodefetchDecode分支流水线举例分支流水线举例流水线被阻断注意:内核运行在ARM状态DecodefetchDecodeExecuteLinkret Adjustfetchfetch周期周期 1 2 3 4 5 0 x8000 BL 0 x8004 X0 x8008 XX0 x8FEC ADD0 x8FF0 SUB0 x8FF4 MOV地址地址 操作操作fetchfetchDecodeDecodeExecuteExecuteDecodefetchfetch超标量执行n超标量超标量(Superscalar)执行执行超标量CPU采用多条流水线结构执行1取指指令译码2译码1执行2
10、执行1取指译码2译码1执行2流水线1流水线2数据回写嵌入式处理器体系结构嵌入式处理器体系结构n按体系结构的不同可分为五大类按体系结构的不同可分为五大类ARMMIPSPOWER PCX86SH系列 嵌入式处理器单元嵌入式处理器单元嵌入式处理器单元嵌入式处理器单元ARM RISCMIPS RISCPOWER PCX86SH/HP RISCARMXXARMXXScalestrongarm（ARM11,ARM10E）64bit32bit（20kc,5kx）(24k,pro,4kx,M4k)64bit32bit（ARM9E,ARM9,ARM7）MotorolaIBM（603e,e300,e500）（pp
11、c405,ppc440）IntelAMDVIATransmeta（186/386/486）（Geode）（Nehemiah）（Efficeon）（SH5）（SH1/SH2/SH3/SH4）armnARM 公司的公司的ARM RISC处理器处理器ARM 7 Thumb 家族ARM 9 Thumb 家族ARM 10 Thumb 家族ARM 11 Thumb 家族nIntel StrongARM StrongARM 110StrongARM 1100StrongARM 1110StrongARM 1111ARMnINTEL的的Xscale架构处理器架构处理器基于ARM V5TE体系结构兼容ARM V
12、5TE ISA指令集（不支持浮点指令集）在处理器内核周围提供了指令和数据存储器管理单元指令、数据和微小数据缓存写缓冲、挂起缓冲和分支目标缓冲器电源管理性能监控调试JTAG单元以及协处理器接口MAC协处理器内核存储总线MIPSn从从1986年推出年推出R2000处理器以来，处理器以来，MIPS陆续陆续推出推出R3000、R4000、R8000等。等。n之后之后,MIPS公司的战略发生变化，把重点放在公司的战略发生变化，把重点放在嵌入式系统。嵌入式系统。n1999年，年，MIPS公司发布了公司发布了MIPS32和和MIPS64体系结构标准，集成了原来所有的体系结构标准，集成了原来所有的MIPS指令
13、指令集，并且增加了许多更强大的功能。集，并且增加了许多更强大的功能。n此后此后MIPS公司又陆续开发了高性能、低功耗公司又陆续开发了高性能、低功耗的的32位和位和64位处理器内核。位处理器内核。MIPSMIPSn在在MIPS的的32位内核中位内核中4K系列对应于SOC应用设计；M4K系列内核是为在下一代消费电子、网络、宽带应用中越来越受欢迎的多CPU SOC所设计；4KE系列具有目前32位通用嵌入式处理器中最高的DMIPS/MHz性能指标；4KS系列由于采用了特殊的SmartMIPS体系结构，特别适用于需要安全数据传输的领域，比如网络、智能卡等；n5K和和20Kc系列属于系列属于MIPS的的6
14、4位内核位内核5K能提供1.4DMIPS/MHz的性能以及最低350MHz的运行速率。20Kc是当今最快的可授权嵌入式处理器内核。一般运行在600MHz，具有7段流水线的20Kc内核，能提供1.2GFLOPS的峰值浮点运算能力。MIPSn嵌入式处理器市场中，基于嵌入式处理器市场中，基于MIPS内核的处理内核的处理器占据了相当大的数量器占据了相当大的数量n2002年，一共付运了年，一共付运了8700万片采用万片采用MIPS内核内核的嵌入式处理器，份额仅次于的嵌入式处理器，份额仅次于ARM位居全球位居全球第二。第二。n在目前快速增长的比如在目前快速增长的比如Cable Modem、DSL Mode
15、m、DVD录像机等领域内，录像机等领域内，MIPS的市场的市场份额位居第一。份额位居第一。nMIPS的合作伙伴包括了的合作伙伴包括了AMD，IDT，NEC，TI，SONY等众多厂商等众多厂商Power PC nMotorola半导体（现半导体（现Freescale半导体）联合半导体）联合IBM以及苹果电脑以及苹果电脑 nIBMPowerPC750 PowerPCG3 nMotorolaMPC MCx86nIntel X86体系结构体系结构nAMD最新的最新的X86体系结构嵌入式处理器产品为体系结构嵌入式处理器产品为Geode 系列处理器系列处理器 nCISC指令集指令集SHnSH(SuperH
16、)系列是由前日立半导体公司（现系列是由前日立半导体公司（现Renesas公司）推出的嵌入式处理器公司）推出的嵌入式处理器 nSH系列的系列的CPU指令格式是固定的，只有一个指令格式是固定的，只有一个字长，绝大多数指令是单周期完成的，即使是字长，绝大多数指令是单周期完成的，即使是复杂的乘加指令也仅需复杂的乘加指令也仅需2个时钟周期个时钟周期 n为了克服内存访问的瓶颈，为了克服内存访问的瓶颈，SH的的CPU简化寻简化寻址方式，采用址方式，采用Load/Store(装载装载/存储存储)结构，结构，并且在片内设置高速缓存，以减少访问内存的并且在片内设置高速缓存，以减少访问内存的时间时间 SHn1999
17、年底，年底，SH系列累计生产达系列累计生产达1.18亿片。亿片。nSH系列投入市场后，用量最多的是工业，占总量的系列投入市场后，用量最多的是工业，占总量的36%，第二位是办公自动化，占总量的，第二位是办公自动化，占总量的26%；第三位；第三位是消费领域；再其次的是通信领域。是消费领域；再其次的是通信领域。n此外，汽车导航、定位、控制系统，也是此外，汽车导航、定位、控制系统，也是SH系列不小系列不小的一个市场。的一个市场。n在美国，在美国，SH系列占有较大的市场份额系列占有较大的市场份额 n型号型号SH1-4（32位）SH5(64位)MIPSMIPS是最早的，最成功的RISC(Reduced I
18、nstruction Set Computer)处理 器之一，起源于Stanford Univ的电机系.其创始人 John L.Hennessy在1984年在硅谷创立 了MIPS INC.公司()。MIPS的名字为“Microcomputer without interlocked pipeline stages的缩写。另外一个通常的非正式的说法是”Millions of instructions per second.目录目录 CPU 总线总线 存储器存储器 接口接口总线总线n总线的主要参数有总线的主要参数有总线的带宽总线的位宽总线的工作时钟频率总线机制总线机制n微处理器（微处理器（CPU）
19、是嵌入式系统硬件平台的核）是嵌入式系统硬件平台的核心构件，但不是全部。按照冯心构件，但不是全部。按照冯诺依曼体系结诺依曼体系结构思想，计算机的硬件是由构思想，计算机的硬件是由CPU、存储器和、存储器和I/O设备三部分组成的。总线是把设备三部分组成的。总线是把CPU与存储与存储器、器、I/O设备相连接的信息通道，但总线并不设备相连接的信息通道，但总线并不仅仅指的是一束信号线，而应包含相应的通信仅仅指的是一束信号线，而应包含相应的通信协议。按照使用场合的不同，总线分成芯片级协议。按照使用场合的不同，总线分成芯片级总线（总线（CPU总线）、板卡级总线（内总线）和总线）、板卡级总线（内总线）和系统级总
20、线（外总线）。系统级总线（外总线）。ISAnIBM 公司于公司于1981 年推出的基于年推出的基于8 位机位机PC/XT 的总线，称为的总线，称为PC 总线。总线。nIBM 公司于公司于1984 年推出了年推出了16 位位PC 机机PC/AT，其总线称为，其总线称为AT 总线。然而总线。然而IBM 公司从未公公司从未公布过他们的布过他们的AT总线规格。总线规格。n由由Intel 公司，公司，IEEE 和和EISA 集团联合开发了集团联合开发了与与IBM/AT 原装机总线意义相近的原装机总线意义相近的ISA 总线，总线，即即8/16 位的位的“工业标准结构工业标准结构”(ISA-Industry
21、 Standard Architecture)总线。总线。n6.66MHZ至至26.66MHZ，典型，典型8MHznEISA总线，总线，32位位PCIn优点优点即插即用中断共享地址总线与数据总线是分时复用的 分类32bit 33mhz64bit or 66mhzPCIn1991 年下半年，年下半年，Intel 公司首先提出了公司首先提出了PCI 的的概念。概念。nIntel联合联合IBM、Compaq、AST、HP、DEC 等等100 多家公司成立了多家公司成立了PCI 集团，其英文全称集团，其英文全称为：为：Peripheral Component Interconnect Special
22、Interest Group(外围部件互连专业组外围部件互连专业组)，简称，简称PCISIG。n93年发布年发布PCI2.0，32位，位，33MHz。5个以上个以上PCI插槽插槽nAGP（图形加速处理）（图形加速处理）n90年代后期，年代后期，PCI-X，64位位/66MHzPCI-力不从心力不从心n南桥南桥/北桥北桥Intel 440系列以后PCI地位大大降低I2CPHILIPS 开发了一种用于内部IC控制的简单的双向两线串行总线I2C(Inter-Integrated Circuit)最高速率100Kbps，25英尺，最多可支持40个设备目录目录 CPU 总线总线 存储器存储器 接口接口存
23、储器系统存储器系统寄存器寄存器高速缓存高速缓存SRAMSRAM主存储器DRAM本地存储器 Flash、ROM、磁盘网络存储器 Flash、ROM、磁盘时钟周期01105010020000000分层结构存储器种类存储器种类nRAM：随机存取存储器，：随机存取存储器，SRAM：静态随机：静态随机存储器，存储器，DRAM：动态随机存储器：动态随机存储器 1）SRAM比DRAM快 2）SRAM比DRAM耗电多 3）DRAM存储密度比SRAM高得多 4）DRM需要周期性刷新nROM：只读存储器：只读存储器EPROMEEPROMFLASH：闪存闪存存储器闪存存储器(FLASH)n相对传统的相对传统的EPR
24、OM芯片，这种芯片可以用电芯片，这种芯片可以用电气的方法快速地擦写气的方法快速地擦写 n由于快擦写存储器不需要存储电容器，故其集由于快擦写存储器不需要存储电容器，故其集成度更高，制造成本低于成度更高，制造成本低于DRAM n它使用方便，既具有它使用方便，既具有SRAM读写的灵活性和较读写的灵活性和较快的访问速度，又具有快的访问速度，又具有ROM在断电后可不丢在断电后可不丢失信息的特点，所以快擦写存储器技术发展十失信息的特点，所以快擦写存储器技术发展十分迅速分迅速 电子盘电子盘 电子盘采用半导体芯片来存储数据电子盘采用半导体芯片来存储数据,具有体积具有体积小小,功耗低和级强的抗震性等特点功耗低和
25、级强的抗震性等特点.nNandFlashnDOCnDOMnCFnSMnMSnMMCnSD常见的存储器扩充装置常见的存储器扩充装置 nCF扩充装Compact Flash所有Windows CE 支持常见的存储器扩充装置常见的存储器扩充装置 nSD扩充装置（Secure Digital）Panasonic Scandisk Toshiba常见的存储器扩充装置常见的存储器扩充装置 nMemory Stick Sony目录目录 CPU 总线总线 存储器存储器 接口接口接口接口n介绍红外介绍红外 蓝牙蓝牙 USB 以太网以太网 1394 LCD显示显示 触摸屏触摸屏高速输入与输出接口高速输入与输出接口
26、nIrDA/FastIrDA（Infrared Data Association）红外线发光二极管发射硅晶PIN光检二极管接受控制电路IrDA 1.0和1.1装置的通讯距离可达1公尺，误码率为10-9，光源外围的最大亮度为10klux（勒克斯）红外传输特点红外传输特点n距离小于一米n低速9.6115K bpsn高速14M bpsn工业高速16M bpsEthernet/Fast Ethernetn802.3n10M/100M Ethernetn100m，RJ45接口接口nMAC层协议层协议 CSMA/CDBluetoothn功耗低功耗低100M，100mW10M，2.5mW1M，1mWn2.4
27、-2.4835 GHz(使用使用ISM频段频段)优势:世界范围内可用劣势:与IEEE 802.11b产品相互干扰n声音和数据传输，总带宽为声音和数据传输，总带宽为1Mbpsn成本低成本低低于US$5/蓝牙芯片红外和蓝牙接口的比较红外和蓝牙接口的比较篮牙接口红外接口传输距离10米1米传输特性可以以任何角度传输只能在一定角度(15度)内进行传输安全机制具有完整安全机制安全性底移动性可以在嵌入式系统移动时进行传输需要在静止状态下进行传输传输速率1Mbps4Mbps价格5美元12美元USB（Universal Serial Bus）nIBM、Compaq、Nortel、NEC、Intel以以及及Mic
28、rosoft联合联合n距离距离5 米，米，Hub30米米n树拓扑结构，树拓扑结构，127个点，个点，4线（线（2根电源线，根电源线，2根数据线）根数据线）n低速低速 USB1.1，1.5 M bpsnUSB 2.0 速率高达速率高达480Mbpsn支持热插拔和即插即用支持热插拔和即插即用IEEE1394n起源于起源于APPLE公司公司1986年提出的年提出的FireWirenMPU与多媒体设备连接接口与多媒体设备连接接口n20400M bps，高速串行总线，高速串行总线nP1394b 1.6Gbps,100米米n支持支持63个器件，长度个器件，长度4.5米米n热插拔，即插即用热插拔，即插即用nSony：iLink；TI：LynxnApple：FireWire2007 ZTE Corporation